Geschichte der Lenz‑Turbine

Die Lenz‑Turbine trägt den Namen ihres Erfinders Edwin Lenz – ein leidenschaftlicher Verfechter erneuerbarer Energien und Betreiber der Website Windstuffnow. Sein Ziel bei der Entwicklung dieses Modells war klar: Er wollte eine Vertikalachswindturbine entwerfen, die leistungsfähig und vor allem für Heimwerker leicht zu bauen ist. Die Idee war nicht, ein komplexes Industriemodell zu schaffen, sondern eine Maschine, die man selbst mit einfachen, leicht erhältlichen und kostengünstigen Materialien herstellen kann.

Die ersten Prototypen entstanden schnell, darunter ein großes Modell, das auf dem Dach seines eigenen Hauses installiert wurde. Die Ergebnisse waren vielversprechend: gute Stabilität, leichtes Anlaufen und beachtliche Leistung selbst bei schwachem Wind. Dieser handwerkliche Erfolg erregte die Aufmerksamkeit einer kleinen Gemeinschaft von Enthusiasten, die begann, das Konzept nachzubauen und zu verbessern.

Trotzdem ist die Lenz‑Turbine heute leider noch immer wenig verbreitet. Selbst mit neueren, leistungsfähigeren Varianten und einigen Versuchen in städtischer Umgebung oder an abgelegenen Standorten hat sie ihren Platz auf dem Markt für kommerzielle Windturbinen noch nicht gefunden. Ein kaum nachvollziehbares Paradox, wenn man ihr Potenzial und die einfache Bauweise kennt.

Konzept und Funktionsprinzip

Die Lenz‑Turbine ist eine Vertikalachswindturbine (VAWT – Vertical Axis Wind Turbine), deren um eine zentrale Achse angeordnete Rotorblätter über die gesamte Höhe die Form von Schaufeln haben. Der Wind strömt nacheinander in jedes Rotorblatt und sorgt so für eine kontinuierliche Drehbewegung. Es ist ein wenig so, als würde man ein Segelboot steuern, indem man die Segel nacheinander so ausrichtet, dass sie möglichst viel Wind einfangen.

Ihre Besonderheit liegt in der einzigartigen Kombination aus Auftrieb und Widerstand. Sie nutzt das Savonius‑Prinzip, um die Windkraft über den Widerstand zu erfassen, und integriert gleichzeitig aerodynamische Elemente einer Darrieus‑Turbine, um vom Auftrieb zu profitieren. Diese clevere Kombination erzeugt ein hohes Drehmoment, das ideal für Anwendungen ist, die viel Zugkraft erfordern, und behält gleichzeitig eine moderate Drehgeschwindigkeit bei – jedoch deutlich höher als bei einer klassischen Savonius.

In den meisten Ausführungen werden drei Rotorblätter verwendet, da diese Konfiguration ein gutes dynamisches Gleichgewicht bietet, Vibrationen und damit auch Geräusche reduziert. Und wie bei allen VAWTs kann die Turbine den Wind aus jeder Richtung einfangen, ohne dass ein Orientierungssystem erforderlich ist.

Die Konstruktion ist bewusst einfach gehalten und verzeiht kleinere Ungenauigkeiten beim Bau. Die gängigsten Modelle sind oft vom sogenannten Lenz2‑Design abgeleitet – ein bewährtes Konzept, das selbst schwachen Wind effizient in nutzbare Energie umwandeln kann und dennoch für jeden motivierten Heimwerker machbar bleibt.

Vorteile und Besonderheiten der Lenz‑Turbine

Die Lenz‑Turbine überzeugt vor allem durch ihre einfache Konstruktion. Sie lässt sich aus gängigen Materialien wie Holz, Metall, PVC oder sogar aus wiederverwendeten Bauteilen herstellen. Ein weiterer Vorteil: Es ist kein spezielles oder aufwendiges Werkzeug erforderlich. Für DIY‑ und Low‑Tech‑Enthusiasten ist sie ein wahrer Traum – äußerst kostengünstig und dennoch in der Lage, ein leistungsfähiges Modell zu bauen, ohne komplizierte Berechnungen anstellen zu müssen.

Dank ihres Designs startet sie bereits bei schwachem Wind, was sie zu einer ausgezeichneten Wahl macht, auch in mäßig windigen Gebieten Strom zu erzeugen. Ein perfekter Standort oder eine ideale Ausrichtung sind nicht nötig – schon die kleinste Brise bringt die Rotorblätter in Bewegung.

Sie liefert ein hohes Drehmoment, ideal zum Antrieb mechanischer Wasserpumpen, und profitiert gleichzeitig von einer natürlichen Selbstbremsung. Diese aerodynamische Bremse begrenzt die Drehzahl von selbst und verhindert gefährliche Überdrehungen – selbst bei sehr starkem Wind.

Ihre Robustheit macht sie widerstandsfähig gegen Stürme, die viele andere Windturbinen beschädigen würden. Die kompakte Bauweise und die eingebaute aerodynamische Bremswirkung verlängern ihre Lebensdauer deutlich im Vergleich zu anderen Modellen.

Ein weiterer Pluspunkt: Sie kann nahe am Boden installiert werden, was Wartung und Inspektion erheblich erleichtert. Und vor allem: Dieses Modell verzeiht kleine Unregelmäßigkeiten – selbst bei leichten Ausrichtungs‑ oder Symmetriefehlern funktioniert sie zuverlässig. Während viele Turbinen wie Darrieus‑ oder helikale Savonius‑Modelle höchste Präzision erfordern, ist die Lenz deutlich toleranter. Das heißt aber nicht, dass man beim Bau nachlässig sein sollte. 😉

Stromerzeugung und Wasserpumpen mit einer Lenz‑Turbine

Für die Stromerzeugung bietet die Lenz‑Turbine ein ausgezeichnetes Verhältnis zwischen Drehmoment und Drehgeschwindigkeit. Sie kann sich deutlich schneller drehen als eine Savonius, bleibt jedoch langsamer als eine Horizontalachswindturbine. Diese moderate Drehzahl ermöglicht den Einsatz eines Langsamläufer‑Generators. Um jedoch ihr volles Potenzial auszuschöpfen, empfiehlt sich eine einfache und wirkungsvolle mechanische Übersetzung – zum Beispiel ein Zahnriemen und zwei Riemenscheiben, um die Drehgeschwindigkeit um das 2,5‑ bis 3‑Fache zu erhöhen.

Diese Anpassung reicht oft aus, um den optimalen Arbeitsbereich des Generators zu erreichen und den Umwandlungswirkungsgrad deutlich zu verbessern. Der genaue Wert sollte entsprechend der Leistungskurve des Generators feinjustiert werden.

Für das Pumpen von Wasser ist die Lenz‑Turbine ebenso effektiv. Ihr hohes und gleichmäßiges Drehmoment macht sie zu einem Spitzenreiter für den direkten Antrieb eines Pumpenmechanismus. Es genügt, die Drehbewegung über eine Pleuelstange in eine auf‑ und abgehende Hubbewegung umzuwandeln, um einen Kolben anzutreiben. Eine solche handgefertigte Windpumpe kann ohne Weiteres Wasser aus Tiefen von 10 bis 15 m fördern – selbst bei mäßigem Wind. Das hohe Drehmoment sorgt für einen zuverlässigen, gleichmäßigen und ruckfreien Betrieb.

Extra: Wie du ganz einfach deine eigene Wasserpumpe für eine Windpumpe bauen kannst, erfährst du in unserem vollständigen Leitfaden: Wie man eine Wasserpumpe für seine Windpumpe baut.

Optimale Gestaltung und Proportionen einer Lenz‑Turbine

Form und Abmessungen der Schaufeln

Die gebogenen Rotorblätter einer Lenz‑Turbine wirken wie Schaufeln, die den Wind über ihre gesamte Höhe nacheinander einfangen. Das Verhältnis zwischen ihrer Breite und dem Abstand zur Achse bestimmt das Gleichgewicht zwischen Drehmoment und Drehgeschwindigkeit. Eine breite Schaufel erzeugt mehr Drehmoment, bremst jedoch die Drehgeschwindigkeit – ideal für den Wasserpumpbetrieb, bei dem die Kraft im Vordergrund steht.

Im Gegensatz dazu ermöglichen schmalere Schaufeln, den Auftrieb stärker zu nutzen und die Drehgeschwindigkeit wirksam zu erhöhen, was für die Stromerzeugung vorzuziehen ist.

Messungen am Lenz2‑Design zeigen, dass eine Schaufelbreite von etwa 0,1875 × D (D ist der Gesamtdurchmesser) und eine entwickelte Schaufellänge von 0,4 × D sehr gute Ergebnisse liefern.

Um die Energienutzung auch bei schwachem Wind zu optimieren, wird ein Anstellwinkel von etwa 9° empfohlen.

Dimensionierung der Turbine und Leistungsberechnung

Für eine auf die Stromerzeugung ausgelegte Lenz‑Turbine kann die verfügbare Leistung mit folgender Formel abgeschätzt werden:

P (W) = 0,00508 × A (ft²) × v³ (mph) × η

wobei A = D × H die überstrichene Fläche in Quadratfuß ist, v die Windgeschwindigkeit in mph und η der Gesamtwirkungsgrad.

Für eine Lenz2 beträgt η etwa 0,31, basierend auf einem durchschnittlichen Generatorwirkungsgrad von 75 % und einem Schaufelwirkungsgrad von 41 %. Daraus ergibt sich:

0,75 × 0,41 = 0,3075 → gerundet 0,31

Durch Umstellen der Formel kann die für eine gewünschte Leistung notwendige Fläche berechnet werden:

A = P ÷ (0,00508 × v³ × η)

Daraus lässt sich anschließend der Durchmesser bestimmen:

D = A ÷ H

Beispiel: Mit P = 63 W, v = 15 mph, η = 0,31 und H = 4 ft erhält man A ≈ 12 ft², was einem Durchmesser von etwa 3 ft (≈ 0,91 m) entspricht.

Länge und Geometrie der Arme

Die Länge der Arme, die die Schaufeln mit der Achse verbinden, beeinflusst den Wirkungsgrad direkt. Sind sie zu lang, liegen die Schaufeln zu weit von der Achse entfernt, was das Drehmoment verringert. Sind sie zu kurz, kommt es zu aerodynamischen Störungen zwischen den Schaufeln, die den Luftstrom beeinträchtigen. Erfahrung und Berechnungen zeigen, dass ein guter Kompromiss erreicht wird, wenn der Befestigungsradius wie folgt gewählt wird:

R ≈ (D ÷ 2) − (W ÷ 2)

Dies sorgt für eine gute Windaufnahme ohne Abschattungseffekte.

Anzahl der Schaufeln und Einfluss auf die Leistung

Die Anzahl der Schaufeln bestimmt das Verhältnis zwischen Drehmoment und Drehzahl. Zwei Schaufeln führen zu einer schnelleren, aber ungleichmäßigen Rotation mit instabilem Drehmoment. Vier oder mehr Schaufeln erhöhen das Drehmoment, erzeugen jedoch einen zu hohen Luftwiderstand, der die Drehzahl reduziert. Drei Schaufeln sind daher der beste Kompromiss: gleichmäßige Rotation, gutes Verhältnis von Auftrieb zu Widerstand und geringere Geräuschentwicklung. Weniger Schaufeln bedeuten höhere Geschwindigkeit, aber weniger Drehmoment. Mehr Schaufeln bedeuten mehr Drehmoment, aber geringere Drehzahl.

Auswuchten der Schaufeln

Eine Massenunwucht zwischen den Schaufeln, selbst wenn sie gering ist, verursacht Vibrationen und beschleunigt den Verschleiß der Lager. Das kann die Rotation instabil machen und die Lebensdauer der Turbine verkürzen. Die Lösung ist ein sorgfältiges Auswuchten: Symmetrie und Gewicht jeder Schaufel prüfen, bei Bedarf mit kleinen Ausgleichsgewichten korrigieren und den Rundlauf im Leerlauf kontrollieren. Eine präzise Auswuchtung sorgt für einen ruhigen Betrieb und reduziert die mechanische Belastung.

Der Balourd‑Effekt

Der Balourd‑Effekt ist ein anderes Phänomen: Er wird nicht durch eine Massenunwucht der Schaufeln verursacht, sondern durch den Winddruck auf den oberen Bereich der Turbine. Ist die Welle nur an ihrer Basis befestigt, führt diese seitliche Belastung zu einer Biegung und zu Schwingungen. Bei einem kleinen Modell kann die Befestigung der Schaufeln in der Mitte dieses Problem verringern, ideal ist es jedoch nicht, auch wenn es akzeptabel sein mag. Bei größeren Modellen oder solchen, die starkem Wind ausgesetzt sind, ist es optimal, die Welle unten mit einem Axialkugellager und oben mit einem Kugellager zu lagern. Das neutralisiert den Balourd‑Effekt, stabilisiert die Rotation und verlängert die Lebensdauer erheblich. Ist die Welle sehr lang, ist die zusätzliche Montage eines selbstausrichtenden Kugellagers in der Mitte eine gute Option. Zu viele Selbstbauprojekte scheitern, weil dieser Punkt nicht beachtet wird – bei einer großen Windturbine kann eine einzige starke Windböe die gesamte Konstruktion in wenigen Sekunden zerstören.

Pläne und Bau einer Lenz‑Turbine

Seien wir ehrlich : Eine eigene Lenz‑Turbine zu bauen, ist ein wirklich spannendes Projekt – und es macht umso mehr Spaß, wenn man genau weiß, was zu tun ist und wie man es umsetzt. Hier erfährst du alles, was nötig ist, um ein hervorragendes Modell zu realisieren:

Einsatzmöglichkeiten einer Lenz‑Turbine und praktische Beispiele

Autarke Stromerzeugung (Off‑Grid)
Für alle, die auf Energieunabhängigkeit setzen, bietet die Lenz‑Turbine eine sehr kostengünstige Quelle erneuerbarer Energie. Ein kleines Modell, kombiniert mit Batterien und einem Laderegler, kann LED‑Beleuchtung, kleine Geräte und verschiedene Verbraucher versorgen. Größere Modelle können – bei einem für die Windkraft gut geeigneten Standort – mehrere Kilowattstunden pro Tag liefern. Es ist eine einfache und robuste Lösung, um lokal Strom zu erzeugen, ohne vom Netz abhängig zu sein.

Wasserpumpen in ländlichen Gebieten
Wo kein Strom vorhanden ist, kann die Lenz‑Turbine zu einer äußerst effektiven Windpumpe werden. Sie kann ein Bewässerungssystem betreiben oder Trinkwasser aus einem Brunnen oder einer flachen Grundwasserquelle fördern. Ihr geringer Platzbedarf und ihre Robustheit machen sie zu einer wertvollen Hilfe für die Landwirtschaft und humanitäre Projekte in windreichen Regionen.

Kompakte Installationen
Dank ihres kompakten Designs und ihres geringen Platzbedarfs eignet sich die Lenz‑Turbine für viele Einsatzorte. Sie kann auf dem Dach eines Wohnmobils oder auf einem Boot montiert werden, um unterwegs Strom zu liefern, oder auch in städtischen oder Wohngebieten eingesetzt werden, wo nur wenig Platz zur Verfügung steht. Da sie nahezu geräuschlos arbeitet, eignet sie sich zudem ideal für die Nutzung in bewohnten Gegenden.

Praxiserfahrungen mit Lenz‑Turbinen

Als ich in Afrika in der Entwicklungshilfe tätig war, hat mir dieses Windturbinen‑Modell unzählige Male wertvolle Dienste geleistet. Seine größten Stärken sind der einfache Aufbau mit sehr gängigen Materialien und die äußerst niedrigen Kosten. Dank dieser entscheidenden Vorteile konnte ich Schnellkurse organisieren, um diese Lösung vor Ort breit zu verbreiten – etwas, das mit anderen Windturbinentypen, die in vielen Punkten technisch deutlich anspruchsvoller sind, wesentlich schwieriger gewesen wäre.

Ich habe mich auch deshalb für die Lenz‑Turbine entschieden, weil sie sich perfekt für eine vollständig metallische Ausführung eignet. Und in Afrika findet man fast überall talentierte Handwerker, die Metall mit bemerkenswerter Raffinesse bearbeiten können. Die einzigen Bauteile, die ich importieren musste, waren selbstschmierende Axial‑Kugellager für die Aufnahme der senkrechten Welle sowie einige Neodym‑Magnete für den Bau des Generators. Alles andere konnte man vor Ort beschaffen – einschließlich Material für ausgezeichnete Wasserpumpen.

Anfangs lag die einzige wirkliche Herausforderung in der Stromerzeugung, denn einen geeigneten Niedrigdrehzahl‑Generator zu bauen, ist alles andere als einfach. Ich habe oft einen selbst entwickelten Generator mit Magnetschwebe‑Effekt verwendet – das heißt, beim Drehen erzeugt er ein Magnetfeld, das die Turbine ganz leicht anhebt und so die Reibungsverluste deutlich reduziert. Trotzdem, und obwohl die Stromproduktion an sich zufriedenstellend war, konnte ich messen, dass der Generator nur etwa zu 40 % seiner möglichen Leistung ausgelastet war. Mit anderen Worten: nicht optimal.

Um das zu verbessern, habe ich stärker auf das Drehmoment gesetzt und eine kleine mechanische Übersetzung eingebaut: einen Zahnriemen und zwei Riemenscheiben, die ich von Motorrädern oder alten Maschinen ausgebaut habe. So konnte ich die Drehzahl – je nach vorhandenen Teilen – um den Faktor 2,5 bis 3 steigern.

Später, sowohl im Westen als auch in Asien, hatte ich Zugang zu halbindustriellen Fertigungsmethoden, mit denen ich ausgezeichnete Prototypen herstellen konnte. Trotzdem fand sich kein Hersteller, der bereit war, das Projekt aufzugreifen – vermutlich auch, weil ich das öffentliche Interesse an dieser Lösung nicht ausreichend kommuniziert habe. Aber es ist nie zu spät, um die Dinge richtig anzugehen, und heute ist mein Zeitplan deutlich entspannter. Also: abwarten und Tee trinken. 😉

In beiden Fällen – ob in Afrika oder anderswo – kann ich ohne Zögern sagen, dass mir die Lenz‑Turbinen wertvolle Dienste geleistet und mir große Freude beim Bau und im Betrieb bereitet haben.

Fazit

Zusammengefasst ist die Lenz‑Turbine eine vielseitige Vertikalachsen‑Windturbine. Sie kann sowohl Strom erzeugen als auch Wasser pumpen – und das mit einer bemerkenswerten Effizienz gemessen an ihrer Einfachheit. Für alle, die in den DIY‑Windkraftbereich einsteigen wollen, ist sie wahrscheinlich eine der besten Optionen überhaupt.

Ob es darum geht, die eigene Energieabhängigkeit zu reduzieren, die physikalischen Kenntnisse zu vertiefen oder einfach Spaß am Experimentieren zu haben – diese Turbine verbindet Nützliches mit Angenehmem. Ihr Bau ist lehrreich und liefert im Rahmen eines pädagogischen oder Schulungsprojekts ein besonderes Erfolgserlebnis, wenn sie zum Beispiel eine Glühbirne zum Leuchten bringt oder Wasser pumpt. Nur wenige Windturbinentypen liefern so einfach ein funktionierendes Ergebnis.

Erstaunlicherweise sind mir keine industriellen Modelle bekannt, die auf dem Lenz‑Konzept basieren. Dabei ist das Entwicklungspotenzial enorm. Man könnte sich problemlos mittelgroße Ausführungen (10–20 kW) vorstellen, die dieses Prinzip nutzen. Es gibt viele Optimierungsmöglichkeiten: Blattprofile, Materialien, spezielle Generatoren – hier ist noch alles offen.

Wenn dich diese Windkraftanlage inspiriert, leg los! Starte dein eigenes Projekt oder sogar ein Start-up, es gibt wirklich Potenzial. Und wenn du Tipps brauchst, hilft dir der Kommentarbereich unten gerne weiter. Teile auch deine Projekte gerne im Forum 🙂

Ich habe viel Zeit in die Erstellung dieses technischen Leitfadens investiert. Wenn er dir geholfen hat, nimm dir bitte 20 Sekunden Zeit, um mir einen oder mehrere Kaffees über Buy Me a Coffee zu spendieren. Das hält mich wach, um neue Leitfäden zu schreiben und bestehende zu verbessern. Deine Unterstützung macht wirklich einen Unterschied 😉